La materia oscura, tan obediente como la gravedad exige
A pesar de su misterio y su invisibilidad, la materia oscura parece seguir al pie de la letra las leyes de Einstein. Un nuevo estudio cosmológico demuestra que ni siquiera el lado más oculto del universo se atreve a desafiar a la gravedad.
Por Enrique Coperías
Mapa de la distribución de materia oscura en torno a cúmulos de galaxias, elaborado a partir de observaciones astronómicas. Crédito: NASA, ESA, D. Harvey, R. Massey.
La materia oscura es el gran fantasma del cosmos. Invisible, silenciosa y esquiva a todos los detectores, se manifiesta solo a través de su influencia gravitatoria, moviendo galaxias y deformando la luz como un titán oculto bajo un velo cósmico. Pero ¿obedece esta materia misteriosa las mismas leyes que el resto del universo? Es más, ¿cae bajo la gravedad como lo hace la materia ordinaria o, por el contrario, es sensible a una fuerza distinta, una quinta fuerza desconocida?
Un equipo internacional formado por Nastassia Grimm y Camille Bonvin, de la Universidad de Ginebra (Suiza), e Isaac Tutusaus, del Instituto de Ciencias del Espacio del CSIC (España), ha logrado poner a prueba esa pregunta en un terreno nunca antes alcanzado: las escalas cosmológicas.
En un artículo publicado en la revista Nature Communications, los tres investigadores concluyen que, al menos dentro de la precisión actual, la materia oscura sigue fielmente las reglas de la gravedad. No hay señales de que experimente ninguna fuerza extra más allá de la descrita por la relatividad general de Einstein. Esta afirma que la gravedad no es una fuerza, sino la curvatura del espacio y del tiempo provocada por la presencia de masa y energía. Los planetas, la luz o cualquier objeto se mueven siguiendo las trayectorias curvas (geodésicas) de ese espacio-tiempo deformado.
Una vieja sospecha cósmica sobre la materia oscura
La hipótesis de que la materia oscura podría interactuar con el resto del universo de un modo distinto al puramente gravitatorio no es nueva. Desde que su existencia fue inferida, en los años treinta, para explicar la velocidad de rotación de las galaxias, los físicos han imaginado todo tipo de partículas de materia oscura y mecanismos que la justificarían: desde las partículas masivas débilmente interactuantes o WIMP hasta los axiones y los neutrinos estériles. Sin embargo, nadie ha logrado detectarla directamente.
Ante ese silencio experimental, la comunidad científica ha abierto el abanico de posibilidades: tal vez la materia oscura interactúe consigo misma o con otros componentes invisibles —radiación oscura, energía oscura— mediante una fuerza nueva. De ser así, el movimiento de las galaxias podría revelar un ligero “desacato” a la ley de Euler, la ecuación que rige cómo las partículas caen dentro de los pozos gravitatorios.
🗣️ «Si existiera una quinta fuerza, la materia oscura no seguiría exactamente las mismas trayectorias que la materia ordinaria», explica Grimm.
Cómo medir el movimiento de lo invisible
El reto era monumental. No solo se trata de una sustancia que nadie ha visto jamás; tampoco se puede observar directamente cómo se mueve. Pero las galaxias, compuestas en gran parte por materia oscura, actúan como marcadores indirectos de su comportamiento. Su velocidad se deduce a partir de los corrimientos al rojo, pequeños cambios en la luz emitida que delatan si un objeto se aleja o se acerca debido a su movimiento peculiar, más allá de la expansión del universo.
Estas llamadas distorsiones en el espacio del corrimiento al rojo permiten reconstruir el ritmo al que crecen las estructuras cósmicas, es decir, cómo la materia se acumula bajo la acción de la gravedad. En paralelo, las distorsiones que la luz sufre al pasar junto a grandes concentraciones de masa —el fenómeno conocido como lente gravitacional— ofrecen una medida del potencial gravitatorio que gobierna esos movimientos.
Combinar ambos efectos era la clave. Por primera vez, Grimm, Tutusaus y Bonvin han logrado hacerlo a gran escala gracias a los datos del Dark Energy Survey (DES), un ambicioso programa de observación que ha cartografiado cientos de millones de galaxias en el hemisferio sur. De su análisis surgió la medición del potencial de Weyl, una magnitud que describe cómo el espacio-tiempo se deforma por la presencia de masa y energía.
🗣️ «Si la gravedad de Einstein es correcta —explica Bonvin—, el potencial de Weyl debería coincidir con la distorsión temporal que perciben las partículas al caer en un campo gravitatorio. Así podemos comprobar si la materia oscura se comporta como esperamos o si hay algo más empujándola o frenándola».
Mapa de la distribución de galaxias observadas por la colaboración DESI, a partir del cual es posible medir con gran precisión las velocidades galácticas. Crédito: Claire Lamman/DESI Collaboration
Poniendo a prueba la ecuación de Euler en el cosmos
El estudio compara dos magnitudes observables:
✅ La velocidad media de las galaxias, inferida de las distorsiones en el corrimiento al rojo.
✅ El potencial gravitatorio obtenido mediante el efecto de lente.
Si ambos valores concuerdan según la ecuación de Euler, que relaciona el movimiento con la fuerza que actúa sobre un cuerpo, entonces la materia oscura está cayendo como dicta la gravedad. Si no, hay una fuerza adicional en juego.
Para cuantificar esa posible desviación, los investigadores introducen un parámetro, Γ (Gamma), que mide la intensidad relativa de una hipotética quinta fuerza respecto a la gravedad. Un valor de Γ igual a cero implica obediencia total a Einstein; y cualquier desviación sería una señal de una nueva física.
Al combinar las observaciones del DES con veintidós mediciones independientes de la velocidad de crecimiento de las estructuras cósmicas procedentes de distintos estudios espectroscópicos, los autores obtuvieron un resultado nítido: Γ es compatible con cero en todos los rangos de distancia analizados, correspondientes a corrimientos al rojo de entre 0,3 y 0,8, es decir, cuando el cosmos tenía entre 6.000 y 9.000 millones de años.
En términos más concretos, una fuerza adicional que atraiga a la materia oscura no podría superar el 7% de la gravedad, mientras que una fuerza repulsiva, que la empuje en sentido contrario, estaría limitada al 21%. Dicho de otro modo: si existe una quinta fuerza, es extraordinariamente débil.
Nuevos observatorios para un nuevo tipo de física
El estudio no solo aporta un resultado negativo —no hay una quinta fuerza—, sino una nueva metodología cosmológica para poner a prueba las leyes fundamentales del universo. Hasta ahora, la mayoría de los intentos de detectar interacciones no gravitatorias de la materia oscura se concentraban en experimentos de laboratorio, en colisionadores de partículas o en observatorios de rayos gamma, buscando señales de partículas hipotéticas. Grimm y sus colegas han trasladado la búsqueda al escenario más vasto posible: el propio tejido del cosmos.
La técnica tiene aún un margen enorme de mejora. La actual generación de datos se basa en observaciones limitadas tanto en número de galaxias como en precisión de las medidas. Pero eso está a punto de cambiar. Con la entrada en operación del Vera C. Rubin Observatory, responsable del Legacy Survey of Space and Time (LSST), y del instrumento espectroscópico de la energía oscura DESI, los astrónomos esperan un salto de varios órdenes de magnitud en la calidad de la información.
Las simulaciones del equipo indican que estos nuevos mapas permitirán detectar desviaciones del comportamiento gravitatorio puro con una precisión del 2%, lo suficiente para confirmar o descartar casi cualquier modelo plausible de interacción entre la materia oscura y otros componentes del cosmos. «Estamos entrando en la era en que la cosmología se convierte en un laboratorio de física fundamental», resume Tutusaus.
DESI ha creado el mapa 3D más grande del universo, con la Tierra en su centro. La imagen revela la estructura oculta de la materia y respalda que la materia oscura sigue las leyes de la gravedad, sin evidencias de fuerzas más allá de Einstein. Cortesía: Claire Lamman/Colaboración DESI/cmastro
Einstein resiste: la relatividad general sigue intacta
El trabajo refuerza así la robustez de la relatividad general de Einstein, un siglo después de su formulación, frente a los intentos de encontrar grietas en su dominio. Aunque en escalas pequeñas, como las del interior de los agujeros negros o el origen del big bang, la teoría necesita unirse con la mecánica cuántica, en el cosmos visible sigue funcionando con una precisión asombrosa.
No obstante, los autores reconocen que su análisis parte de una suposición: que la relatividad general es válida en grandes escalas. Si la propia gravedad se comportara de manera distinta —como plantean algunas teorías de gravedad modificada—, entonces las conclusiones cambiarían.
Para distinguir entre ambas opciones, será necesario medir directamente la distorsión temporal del espacio-tiempo, algo que podría lograrse en los próximos años observando el corrimiento gravitacional al rojo en la distribución de galaxias.
Una nueva frontera en la cosmología experimental
La importancia del estudio trasciende la materia oscura. Al comparar el movimiento de las galaxias con la curvatura del espacio-tiempo que generan, los astrónomos abren una vía para comprobar de manera directa el principio de equivalencia —la idea de que todas las formas de materia caen igual en un campo gravitatorio— a escalas cosmológicas.
Es la misma idea que Galileo ensayó en Pisa y que Einstein elevó a piedra angular de su teoría, ahora llevada al límite del universo observable.
En definitiva, la materia oscura sigue siendo un misterio, pero al menos parece comportarse con modales: obedece las órdenes de la gravedad con disciplina ejemplar. En palabras de Grimm, «no hemos encontrado señales de rebeldía en la materia oscura, pero cada nueva observación nos acerca un poco más a comprender de qué está hecha». La búsqueda continúa, y el cosmos, fiel a su costumbre, guarda el secreto con elegancia. ▪️
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Información facilitada por la Universidad de Ginebra
Fuente: Grimm, N., Bonvin, C. & Tutusaus, I. Comparing the motion of dark matter and standard model particles on cosmological scales. Nature Communications (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65100-8
